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第一章金刚石钻头基本知识第一节概述金刚石钻头的发展历史金刚石钻头是不同于牙轮钻头的另一类钻井破岩工具，其使用可以追溯到19世纪60年代。
最初人们以天然金刚石为切削元件制作打炮眼和挖掘隧道的工具，后来出现了用于石油钻井的钢体鱼尾式天然金刚石全面钻进钻头和取心钻头。
早期的金刚石钻头是将天然金刚石冷镶在低碳钢上的。
由于天然金刚石来源有限，价格昂贵，加之本身尺寸、性能方面的原因以及当时落后的制造工艺，大大限制了金刚石钻头在石油钻井工业中的应用。
随着粉末冶金技术的发展，出现了采用烧结碳化钨作为钻头体的胎体式金刚石钻头。
这种技术的出现使金刚石钻头的制造水平大大提高。
胎体式金刚石钻头具有耐冲蚀、耐磨损的特点，具有良好的使用性能，其制造工艺也不复杂，因此一经出现就迅速推广开来。
人造聚晶金刚石的研制成功，对金刚石钻头技术的发展起了巨大的推动作用。
人造聚晶金刚石复合片钻头（PDC钻头）的出现一度被称为20世纪80年代钻井工业技术的一大突破，这种新技术对石油钻井业的发展产生了巨大的影响。
现场使用证明，软到中等硬度地层钻井用PDC钻头具有机械钻速高、进尺多、寿命长、工作平稳、井下事故少、井身质量好等优点，并能与井下动力钻具配合用于高速钻井。
合理使用金刚石钻头可以大大缩短建井周期，降低钻井成本，提高钻井经济效益。
金刚石钻头的发展前景经过近二十多年的发展，金刚石钻头已经成为继牙轮钻头之后的又一重要破岩工具。
时至今日，PDC钻头在石油钻头市场所占的份额越来越大，几乎每年以30%的速度侵吞牙轮钻头市场。
随着新的设计理论、设计方法和材料等技术的发展，PDC钻头的适用范围也在不断扩展，以前被认为不适用于PDC钻头的地层现在也广泛使用，比如我国中原油田的文留区块的沙二至沙三地层由于地质情况复杂、夹层多，可钻性差，以前一直被认为是PDC钻头的禁区，在这里钻的井除了取心之外用的都是牙轮钻头。
可是从2000年开始，PDC钻头在这个区块的使用量逐渐增多，效果也很好，而2001年底我公司的一只8 1/2 BK542-4型PDC钻头更在该区块的文－133井创下了1600米（东营组）入井，打到3390米（沙三上）完井，纯钻时间小时，进尺1790米，平均机械钻速米的好指标。
金刚石工具分类及特点
金刚石工具根据其用途的不同，主要分为：金刚石磨削工具、金刚石锯切工具、金刚石刀具、金刚石钻探工具等几个大类。
金刚石工具是指用结合剂把金刚石（一般指人造金刚石）固结成一定形状、结构、尺寸，并用于加工的工具产品。
广义地，金刚石研磨膏、滚压锯片、冷镶金刚石拉丝模、冷镶金刚石刀具、钎焊金刚石复合片刀具等，也都属于金刚石工具。
金刚石工具分类
1、按结合剂划分有：树脂、金属和陶瓷结合剂金刚石工具三大类。
金属结合剂工艺分为烧结、电镀和钎焊等几类。
2、按用途结构划分
有：磨具——砂轮、滚轮、滚筒、磨边轮、磨盘、碗磨、软磨片等；
锯切工具——圆锯片、排锯、绳锯、筒锯、带锯、链锯、丝锯；
钻探工具——地质冶金钻头、油（气）井钻头、工程薄壁钻头、石材钻头、玻璃钻头等；
其它工具——修整工具、刀具、拉丝模等。
与金属结合剂胎体相比，树脂、陶瓷结合剂胎体强度较低，不适合做锯切、钻探、修整类工具，一般只有磨具类产品。
金刚石工具特点
金刚石具有坚硬性，故制成的工具特别适合加工硬脆材料尤其非金属材料，如石材、墙地砖、玻璃、陶瓷、混凝土、耐火材料、磁性材料、半导体、宝石等；也可以用于加工有
色金属、合金、木材，如铜、铝、硬质合金、淬火钢、铸铁、复合耐磨木板等。
目前金刚石工具已广泛应用以建筑、建材、石油、地质、冶金、机械、电子、陶瓷、木材、汽车等工业。
全面金刚石工具基础1.1金刚石的成份：早在公元1世纪的文献中就有了关于金刚石的记载，然而，在其后的1600多年中，人们始终不知道金刚石的成分是什么。
直到18世纪的70至90年代，才有法国化学家拉瓦锡(1743~1794)等人进行的在氧气中燃烧金刚石的实验，结果发现得到的是二氧化碳气体。
证明了组成金刚石的材料是碳。
1.2金刚石和石墨的区别石墨和金刚石都属于碳单质，但金刚石和石墨不是同种物质，它们是由相同元素构成的同素异型体. 所不同的是物理结构特征。
二者的化学式都是c ,石墨原子间构成正六边形是平面结构，呈片状。
金刚石原子间是立体的正四面体结构，呈金字塔形结构。
正是这种致密的结构，使得金刚石具有最大的硬度。
换句话说，金刚石是碳原子被挤压而形成的一种矿物。
1.3金刚石的硬度金刚石的硬度一般用莫氏硬度来表示，其硬度值为10 。
显微硬度10000kg/mm2,显微硬度比石英高1000倍，比刚玉高150倍。
依照莫氏硬度标准(Mohs hardness scale)共分10级，钻石(金刚石)为最高级第10级；如小刀其硬度约为5.5、铜币约为3.5至4、指甲约为2至3、玻璃硬度为6。
1.4工业金刚石金刚石由其生成方式分为天然金刚石和人工合成金刚石，用于金刚石工具制作的一般是人工合成金刚石。
也称作工业金刚石。
其密度为 3.52g/cm3, 其质量单位一般情况用“克拉”表示，1克拉=0.2克。
人造金刚石的粒度(颗粒大小)一般用“目”表示。
人造金刚石常见粒度为25/30、30/40、40/45、45/50、50/60、60/70… …2、粉料金刚石工具的原材料，除金刚石之外，其它主要为粉末，这些粉末可以是金属、非金属，也可以是合金、化合物。
金刚石工具采用的粉末，不仅仅对化学成分有一定的要求，而且对粉末颗粒的大小、形状、松装比重、压制性、烧结性等也有不同的要求,这取决于金刚石工具的用途、品种、生产工艺等因素。
(a) 铜粉：电解法制取，颗粒形态为树枝状，玫瑰红色，氧化后颜色发暗，严重时变成黑色粉末。
金刚石工具中合金元素的基本性质与作用金属的分类1、按密度：重金属（﹥4.5g/cm3）轻金属（﹤4.5g/cm3）2、按冶金传统：黑色金属：Fe 、Cr、Mn有色金属：除Fe 、Cr、Mn外3、壳中含量：常见金属：Zn、Mg、Fe、Al稀有金属：Ta钽、Mo钼按地一. Fe的基本性质1.1 Fe 的物理性质：具有银白色光泽的金属l良好的导电性、导热性和延展性，密度较大（7.86g/cm3）熔点（1535℃）、沸点较高。
图1.1纯Fe棒照片1.2 Fe的化学性质1、与非金属反应：2Fe+3Cl2 = 2FeCl3 3Fe+2O2 = Fe3O42、与酸反应：Fe+2HCl = FeCl2+H2↑常温：遇到浓H2SO4、浓HNO3会发生钝化3、与盐反应：Fe+CuSO4= FeSO4+ CuCu包Fe的化学反应方程式4、与水反应：3Fe＋4H2O(g) = Fe3O4+4H2烧结时，受潮铁粉会产生严重氧化二.Fe在金刚石工具中的作用2.1 Fe的基本作用：1、是金刚石工具中最基本、最常用的胎体烧结成分。
2、常用的铁粉有还原铁粉、电解铁粉和羰基铁粉（Fe(CO)5）。
其中羰基铁粉颗粒细、使用效果好，价格高，常用于高档工具。
对于传统的铁基金刚石工具，使用羰基铁粉能提高基体对金刚石的把持力，提高基体的耐磨性能。
3、在金刚石工具胎体中与Ni、Cu、Sn等元素共同作用，形成烧结组织，共同把持金刚石。
4、是烧结胎体中的基本耐磨相。
5、胎体中的Fe含量高时，胎体的烧结温度提高、硬度提高、耐磨性提高，但工具的锋利度下降。
6、花岗岩小锯片、中径花岗岩锯片、大直径花岗岩锯片（大刀头）、低档薄壁钻、陶瓷滚筒、磨边轮、磨块中Fe的含量较高。
图2.1电解Fe粉的SEM形貌图2.2 Fe在金刚石工具中的基本特性：1、Fe在1550℃下对金刚石的润湿角为50°，比Ni、Co稍低，但却具有对金刚石最高的附着功，约为3040×10-7J／cm2，说明Fe和金刚石的界面结合最牢固；2、Fe的热膨胀系数为11.7×10-6／℃，比Cu、Ni、Co都低，在加热及冷却过程中的体积效应也要比Cu、Ni、Co基粘结剂小一些；3、Fe基粘结剂具有广谱性，可广泛应用于软岩、中硬岩、硬岩等的切割工具中。
